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钙钛矿氧化物薄膜的电学及光学非线性特性研究

2020-12-11阅读(702)

钙钛矿氧化物薄膜的电学及光学非线性特性研究

论文摘要

钙钛矿氧化物材料由于其晶格结构的复杂性,在电学、光学、磁学和热学等方面具有丰富的物理特性,通过其薄膜材料的制备,有望应用在下一代的多功能电子器件中。本论文工作采用脉冲激光沉积的方法在Nb:SrTiO3（100）和MgO（100）基底上生长了CaCu3Ti4O12、Au: CaCu3Ti4O12和Au: Ba0.6Sr0.4TiO3等单层薄膜材料,制备了Pt/CaCu3Ti4O12/ITO/MgO、In/CaCu3Ti4O12/ITO/MgO和ITO/ CaCu3Ti4O12/ITO/MgO等多层薄膜结构,研究了钙钛矿氧化物薄膜的制备及电学、光学非线性等性质,重点分析了CaCu3Ti4O12的热释电及I-V增强特性。主要研究内容和成果如下:1、利用脉冲激光沉积技术,在MgO（100）基片上制备了Au纳米颗粒掺杂的CaCu3Ti4O12薄膜,通过测量纯CaCu3Ti4O12和Au: CaCu3Ti4O12薄膜的I-V关系,发现掺Au纳米颗粒后,薄膜的I-V非线性系数得到了较大提高。根据能带理论和拟合分析,用双肖特基结模型合理解释了Au: CaCu3Ti4O12薄膜中的增强I-V非线性线性特性,证实了CaCu3Ti4O12材料中确实存在边界效应。这种基于激光脉冲沉积技术掺杂金属纳米颗粒的方法为增强薄膜材料的I-V非线性提供了一种新的途径,对集成电路中电阻开关器件的制作具有重要意义。2、在Nb:SrTiO3（100）基底上生长了多晶CaCu3Ti4O12薄膜,经高强度电压极化后,形成垂直于薄膜表面的极化分量;在295 K到340 K的温度范围内,对于厚度为700 nm的CaCu3Ti4O12薄膜,测得其热释电系数为1.35×10-7 C /cm2K,比目前已报道的绝大多数材料提高了数倍至一个数量级以上。同时发现在300700 nm范围内,热释电系数随薄膜厚度增加而变大,并用钛氧八面体畸变机制解释了CaCu3Ti4O12热释电效应的来源。而对于未极化的样品,则观测不到明显的热释电现象,这表明CaCu3Ti4O12薄膜内部的电偶极矩在未经极化时处于长程无序状态,而经强电场极化后,形成有序的电偶极矩,并能够在一定温度范围内长期稳定保持。本实验结果有力地支持了CaCu3Ti4O12具有铁电弛豫特性的观点。3、以CaCu3Ti4O12热释电薄膜作为响应元,自制了CaCu3Ti4O12薄膜热释电探测器,在不同偏压状态下,对热释电信号进行了测试与分析。实验发现,外加偏压不仅能够降低热释电信号的半高宽,而且不同方向的偏压能够抑制或增强热释电信号,并基于热释电原理进行了解释。4、制备了不同掺金浓度的Au: Ba0.6Sr0.4TiO3多晶薄膜。通过线性吸收谱测量发现,掺Au纳米团簇后,出现Surface Plasmon Resonance吸收峰,并且随掺金浓度增加而出现红移。用Z扫描的方法测量了不同掺金浓度的Au: Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜在波长532 nm、脉宽10 ns激光条件下的三阶非线性系数,所测得的最大三阶非线性系数虚部与实部分别为-1.93×10-6esu和1.13×10-5esu,比目前已报道的其他金属纳米复合薄膜材料高1-2个数量级。同时基于复合薄膜的三阶非线性系数理论计算公式,分析了掺金浓度和复合薄膜的χ（3）之间的关系。本论文的创新点主要包括:1.发现了Au纳米团簇掺杂的CCTO复合薄膜材料的增强I-V非线性效应,并用DSB模型分析了这种复合材料的导电特性,这一结果不仅证实了CCTO中的边界效应,而且为提高钙钛矿氧化物薄膜材料的I-V非线性提供了一种新方法。2.报道了在SNTO基片上制备的CCTO多晶薄膜的热释电特性,用动态法测得其热释电系数可达1.35×10-7 C /cm2K,比目前所报道的大多数热释电材料提高了数倍至一个数量级,并且该实验结果有力地支持了CCTO具有铁电弛豫特性的观点3.用Z扫描的方法测量了Au: BST薄膜的三阶非线性系数,其值可达10-5esu量级,比目前所报道的大多数复合材料提高了1-2个数量级。同时从理论上分析了掺金浓度与三阶非线性系数大小的关系。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 钙钛矿氧化物材料的研究概述
  • 1.2 钙钛矿氧化物的结构特征
  • 1.3 热释电效应
  • 1.4 电流-电压非线性效应
  • 1.5 钙钛矿氧化物的三阶光学非线性特性
  • 1.6 肖特基结
  • 1.7 本论文的主要研究内容
  • 本章参考文献
  • 第2章 脉冲激光沉积技术及样品表征方法
  • 2.1 引言
  • 2.2 脉冲激光沉积技术原理
  • 2.3 薄膜制备的工艺条件
  • 2.4 脉冲激光沉积制膜技术的特点
  • 2.5 样品的表征方法及原理
  • 2.5.1 X 射线衍射分析
  • 2.5.2 X 射线光电子能谱和能量扩散的X 射线分析
  • 2.5.3 原子力显微镜和扫描电子显微镜
  • 2.6 小结
  • 本章参考文献
  • 3Ti4012薄膜的热释电特性及应用'>第3章 CaCu3Ti4012薄膜的热释电特性及应用
  • 3.1 引言
  • 3Ti4012薄膜的制备与表征'>3.2 CaCu3Ti4012薄膜的制备与表征
  • 3Ti4012薄膜热释电系数的测量'>3.3 CaCu3Ti4012薄膜热释电系数的测量
  • 3.3.1 热释电系数测量原理与实验装置
  • 3.3.2 热释电系数测量结果
  • 3Ti4012薄膜热释电效应的解释'>3.4 CaCu3Ti4012薄膜热释电效应的解释
  • 3Ti4012薄膜的类热释电效应'>3.5 在ITO 上生长的CaCu3Ti4012薄膜的类热释电效应
  • 3Ti4012薄膜热释电特性的应用'>3.6 CaCu3Ti4012薄膜热释电特性的应用
  • 3Ti4012薄膜热释电探测器的制备'>3.6.1 CaCu3Ti4012薄膜热释电探测器的制备
  • 3Ti4012薄膜热释电探测器信号的测试'>3.6.2 CaCu3Ti4012薄膜热释电探测器信号的测试
  • 3Ti4012薄膜热释电探测器信号的分析'>3.6.3 CaCu3Ti4012薄膜热释电探测器信号的分析
  • 3.7 本章小结
  • 本章参考文献
  • 3Ti4012薄膜的非线性导电特性'>第4章 CaCu3Ti4012薄膜的非线性导电特性
  • 4.1 引言
  • 3Ti4012/Pt 的肖特基结整流特性研究'>4.2 CaCu3Ti4012/Pt 的肖特基结整流特性研究
  • 3Ti4012/ITO 样品的制备与表征'>4.2.1 Pt/CaCu3Ti4012/ITO 样品的制备与表征
  • 3Ti4012/Pt 样品的I-V 关系'>4.2.2 ITO/CaCu3Ti4012/Pt 样品的I-V 关系
  • 3Ti4012/Pt 肖特基结的整流特性分析'>4.2.3 CaCu3Ti4012/Pt 肖特基结的整流特性分析
  • 3Ti4012薄膜的I-V 非线性增强特性研究'>4.3 Au: CaCu3Ti4012薄膜的I-V 非线性增强特性研究
  • 3Ti4012薄膜的样品制备'>4.3.1 Au:CaCu3Ti4012薄膜的样品制备
  • 3Ti4012和Au: CaCu3Ti4012薄膜样品I-V 关系的测量'>4.3.2 CaCu3Ti4012和Au: CaCu3Ti4012薄膜样品I-V 关系的测量
  • 3Ti4012薄膜I-V 特性'>4.3.3 不同温度下Au: CaCu3Ti4012薄膜I-V 特性
  • 3Ti4012薄膜增强I-V 非线性效应的解释'>4.3.4 Au: CaCu3Ti4012薄膜增强I-V 非线性效应的解释
  • 4.4 本章小结
  • 本章参考文献
  • 0.6Sr0.4Ti03薄膜的非线性光学性质'>第5章 Au: Ba0.6Sr0.4Ti03薄膜的非线性光学性质
  • 5.1 引言
  • 5.2 光与介质相互作用
  • 5.3 单光束纵向扫描技术
  • 5.4 Z 扫描技术的理论计算
  • 2的计算'>5.4.1 非线性折射率n2的计算
  • 5.4.2 非线性吸收系数β的计算
  • 0.6Sr0.4Ti03薄膜的制备及表征'>5.5 Au:Ba0.6Sr0.4Ti03薄膜的制备及表征
  • 0.6Sr0.4Ti03薄膜的非线性光学性质'>5.6 Au: Ba0.6Sr0.4Ti03薄膜的非线性光学性质
  • 5.7 金属纳米复合薄膜非线性增强机制
  • 5.8 本章小结
  • 本章参考文献
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1 本论文工作的主要研究内容和成果
  • 6.2 对未来工作的展望
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
  • 致谢

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